刀具是數(shù)控加工的最終執(zhí)行者 合理選擇至關(guān)重要
刀具作為數(shù)控加工的最終執(zhí)行者,零件的加工效率、加工質(zhì)量、加工過程的穩(wěn)定性等都與其有直接關(guān)聯(lián)。以XXC.13.001為例,一把合適的刀具將其粗加工過程中的一個工步由原本8小時的加工時間縮短至3小時,由此可見刀具對數(shù)控加工的重要影響。
現(xiàn)代切削刀具材料經(jīng)歷了從碳素工具鋼、高速鋼,發(fā)展到硬質(zhì)合金、陶瓷、PCBN、PCD,刀具的切削性能越來越好,直接促進了數(shù)控加工的極大發(fā)展。高速鋼刀具熱硬性高,有較高的耐磨性、強度和韌性,與硬質(zhì)合金相比,其最大優(yōu)點是可加工性好并具有良好的綜合力學(xué)性能。由于其良好的性能,目前高速鋼仍是世界各國應(yīng)用最廣泛的刀具材料之一。硬質(zhì)合金刀具由硬度和熔點很高的碳化物(硬質(zhì)相)和金屬粘接相經(jīng)粉末冶金方法而制成,其硬度遠高于高速鋼,在540℃時,硬度仍可達82~87HRA,與高速鋼常溫時硬度相同。硬質(zhì)合金刀具的硬度和韌性隨著金屬粘接相的含量而變化,一般隨著金屬相含量的增多,硬度降低而韌性增強。陶瓷刀具研制成功以來,由于其良好的性能,頗受市場歡迎。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好,摩擦因數(shù)低,耐高溫、耐熱性好等優(yōu)點,陶瓷刀具已經(jīng)成為高速切削及難加工材料加工的主要刀具之一。但是陶瓷刀具抗彎強度低,承受沖擊載荷能力較差,當(dāng)加工面出現(xiàn)凸凹或加工過程振動較大時容易崩刃,不適于在低速和沖擊負荷下切削。陶瓷刀具承受熱沖擊載荷能力較差,切削過程不能使用冷卻液,可以實現(xiàn)干式切削。CBN刀具在硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石,具有高的硬度和耐磨性,很高的熱穩(wěn)定性,優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性,較好的熱導(dǎo)性,較低的摩擦因數(shù)等,基本上具備完美刀具的一切性能,但強度和韌性較差,使用時應(yīng)避免過大的沖擊造成刀具崩刃,因此一般采用負前角高速切削。CBN刀具昂貴的價格也是制約其普遍使用的重要因素。
在刀具材料的發(fā)展過程中,涂層技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用為刀具的強度、硬度和韌性之間的矛盾關(guān)系找到了緩解辦法,成為切削刀具發(fā)展史上的一次革命。刀具涂層技術(shù)主要是采用物理或者化學(xué)氣相沉積的方法,在刀具表面上獲得幾微米到十幾微米厚的硬質(zhì)膜。刀具涂層具有高的硬度耐磨性,高的化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性能,低的摩擦因數(shù)等優(yōu)點。在刀具基體表面添加涂層,可以很好地解決硬質(zhì)合金等刀具硬度較軟、耐磨性較差、高溫時容易氧化等問題。當(dāng)涂層的性能與基體性能差距較大或與基體材料粘結(jié)不牢固時,可以采用多層涂層,逐步改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強度、涂層的耐磨性等問題。涂層技術(shù)大大增強刀具硬度、韌性,提高刀具耐磨性和抗氧化性,進而延長刀具使用壽命和改善刀具的切削加工性能。
鋁鎂合金硬度和強度較低,導(dǎo)熱性能較好,屬于易切削材料。切削線速度可以達到1200m/min左右的水平。切深和切寬可以給較大的參數(shù),粗加工過程中盡量采用小切深、高轉(zhuǎn)速、快進給的方式來提高效率,但切深不宜過淺,免得切屑產(chǎn)生自燃。加工過程中,刀具選擇時,選擇較大的前角和后角,刀具切削刃應(yīng)該鋒利、光滑。
不銹鋼材料熱強度高、韌性大、粘附性強、導(dǎo)熱系數(shù)低,加工硬化現(xiàn)象嚴重,切削過程中振動強烈,容易損壞刀具。選擇合理的切削參數(shù)和合適濃度及壓力的切削液,使用一般的硬質(zhì)合金涂層刀具都可以達到較為理想的切削效果。
鈦合金和鎳基高溫合金屬于公司比較難加工的材料,實現(xiàn)難加工材料的有效加工,關(guān)鍵在于:優(yōu)選刀具材料:高性能高速鋼、新型硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷刀具、CBN刀具和金剛石刀具;選擇合適的刀具幾何參數(shù);采用適當(dāng)?shù)睦鋮s潤滑條件;采用優(yōu)化的加工參數(shù)。
鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低,切削溫度可比切削45#鋼時高出數(shù)百度以上;鈦合金的彈性模量低,已加工表面回彈現(xiàn)象嚴重,后刀面與已加工表面摩擦,切削溫度升高,刀具后刀面磨損嚴重;切屑與前刀面的接觸長度短,接觸面上的應(yīng)力大;鈦合金的化學(xué)活性大,與刀具親合力大,容易與大氣中的多種元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),形成硬而脆的外皮,刀具容易產(chǎn)生積屑瘤,切削過程中刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。由于鈦合金回彈嚴重,切削加工時刀具的后角要大,選擇10°左右,為保證刃口強度,刀具前角不能過大,大約5°左右。鈦合金銑削時,盡量使用大螺旋角銑刀,在保證刀具強度的前提下增加刀具的鋒利程度。切削加工過程中大量使用不含氯元素的切削液。
高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)很低,低于45鋼的三分之一,切削溫度高;高溫強度高,在600~900℃時仍然達到中碳鋼的室溫強度,切削力是切削一般鋼材的兩到三倍;合金中有大量的組織致密的固溶體,切削時晶格扭曲嚴重,冷硬現(xiàn)象嚴重;含有大量的金屬碳化物、硼化物、氧化物以及金屬間化物的硬質(zhì)點,刀具極易磨損。以公司XX.44.003零件為例,材料為GH710,硬度大約為42~44HRC,由于材料內(nèi)部含有大量硬質(zhì)點,實際硬度遠不止于44HRC,加工過程中刀具容易因為切削溫度過高,冷卻效果不到位而發(fā)生氧化和磨損。刀具也容易在切削過程中遇到硬質(zhì)點而崩刃。車削加工時,刀片盡可能選擇較大的前后角,提高刀片強度,銑削時盡量采用大螺旋角銑刀。使用陶瓷刀具和CBN刀具切削時,務(wù)必采用負前角的刀具,以免在切削加工過程中因過大的沖擊載荷而崩刃。
實際切削加工過程中,刀具的選擇和相對應(yīng)的切削參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)加工狀況而定,綜合加工成本、加工效率、金屬切除量等因素,選擇最合適的刀具才是最好的刀具。
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